具体描述
《机械设计与制造技术前沿探索：基于先进CAD/CAE平台的创新实践》 内容提要 本书聚焦于当代机械设计与制造领域中的关键技术进展，特别是那些依赖于高度集成化、智能化设计环境所驱动的创新实践。全书内容紧密围绕现代工程设计流程中的核心环节展开，旨在为工程技术人员、设计工程师以及相关专业的高年级本科生和研究生提供一套系统、深入的理论指导和前沿技术应用范例。我们摒弃了对特定老版本软件操作界面的详尽讲解，转而着重探讨在主流、高效的计算机辅助设计与工程分析（CAD/CAE）平台下，如何实现复杂机械系统的概念设计、性能预测、优化迭代以及虚拟制造。 本书的结构设计旨在引导读者从宏观的设计哲学深入到微观的工程细节，重点涵盖了参数化建模的深度应用、面向制造的设计（DFM）的最新原则、多物理场耦合仿真技术，以及轻量化结构设计中的拓扑优化方法。我们相信，真正的工程能力源于对底层物理原理的深刻理解以及对先进工具的灵活驾驭，而非仅仅局限于软件的特定按钮位置。 --- 第一部分：现代机械设计思维与参数化/特征化建模的高级技巧 本部分旨在重塑读者对机械设计流程的认知，强调“以功能驱动设计”的核心理念。 第一章：面向未来的设计方法论 探讨传统设计流程与敏捷设计流程的对比，分析数字化双胞胎（Digital Twin）概念在产品生命周期管理（PLM）中的基础作用。重点解析如何构建具有高度信息集成性的三维模型，使其不仅是几何形状的描述，更是承载材料属性、公差信息、制造成本和装配关系的多维数据载体。 第二章：高级参数化与关系驱动建模 深入讲解在现代CAD系统中，如何运用复杂的约束方程、驱动变量和设计表（Design Tables）来实现设计的自动化和可追溯性。内容包括：如何有效管理大型装配体的参数依赖关系，避免“模型脆弱性”；高级草图和特征的构建技巧，如可变截面扫掠、曲面驱动的实体生成，以及如何利用点、线、面作为驱动基准进行高效的模型重构。特别关注参数化建模在快速响应客户定制化需求中的实际案例分析。 第三章：高级曲面造型与逆向工程基础 针对航空航天、汽车外饰等对表面质量要求极高的领域，本章详细阐述了NURBS曲面、细分曲面（Subdivision Surfaces）的数学原理及其在工程中的应用。讨论如何利用点云数据进行模型的重建与修复，以及如何将逆向获取的几何体无缝集成到参数化设计流程中，确保后续的仿真分析和工程出图的准确性。 --- 第二部分：工程分析与仿真技术的深度集成（CAE核心） 本部分是全书的重点，着眼于如何利用强大的计算工具对设计方案进行科学验证，减少物理样机制作的成本和时间。我们侧重于分析方法的选择、模型的简化策略以及结果的工程化解读。 第四章：结构强度与疲劳寿命的预测 讲解有限元分析（FEA）的基本理论，包括单元类型的选择（梁、壳、实体单元）及其适用场景。重点剖析应力奇异性的处理、网格质量对计算结果的影响，以及如何根据EN/ISO或ASTM标准进行疲劳寿命的评估（如应力-寿命法和应变-寿命法）。内容还包括冲击载荷和非线性材料（如橡胶、高分子材料）的分析策略。 第五章：多物理场耦合分析前沿 本章聚焦于现代工程中日益普遍的跨领域问题。详细介绍： 1. 热-结构耦合分析： 电子设备散热、发动机部件的热应力分析。 2. 流固耦合（FSI）： 探讨如何评估管道中流体压力对结构变形的影响，以及结构运动对流场的影响。 3. 机电耦合： 针对电机、传感器等机电一体化部件，分析电磁场变化引发的力学响应。 第六章：运动学与动力学分析的系统方法 超越简单的运动轨迹示教，本章探讨复杂机构的动态性能评估。内容覆盖：刚体动力学、柔性体动力学（Flexible Body Dynamics）的建立，以及如何将仿真模型与控制算法接口（如MATLAB/Simulink环境）连接，进行闭环系统仿真。重点分析系统在冲击、振动环境下的响应特性，以及如何通过改变机构的几何参数来优化其运动平稳性。 --- 第三部分：面向制造的优化设计与增材制造（DfM/Additive Manufacturing） 本部分将设计与制造环节紧密结合，探讨如何通过先进的计算方法实现设计与生产的完美对接。 第七章：拓扑优化与轻量化设计 系统介绍基于材料分布的优化方法，讲解应力驱动、刚度驱动和频率驱动的拓扑优化流程。重点在于如何处理优化结果的“黑箱”特性，引导读者将优化得到的概念结构转化为可制造的实际几何体，并探讨如何使用形态学操作（Morphing）来平滑和完善拓扑优化后的复杂边界。 第八章：面向增材制造（AM）的设计准则 随着3D打印技术的普及，本章专门探讨针对增材制造的设计规范。内容包括：理解不同AM工艺（SLM, SLA, FDM）的材料各向异性、残余应力累积机制，以及如何设计支撑结构、控制悬垂角度以确保打印成功率。分析如何利用软件工具自动检查模型是否满足AM可制造性要求。 第九章：公差分析与系统装配仿真 探讨基于统计学的方法（如蒙特卡洛分析）进行公差累积分析，而非传统的极端值分析法。讲解如何建立包含所有关键配合的装配模型，并模拟其在不同公差组合下的干涉和间隙分布，确保产品在实际装配中的可靠性，这是实现高质量批量生产的关键步骤。 --- 附录：工程计算与脚本化编程基础 简要介绍如何利用高级工程软件提供的API接口（如Python或Tcl/Tk脚本），实现重复性任务的自动化，从而提高设计和分析效率，这是迈向高效工程实践的必经之路。 本书旨在培养读者利用当代最先进的CAD/CAE工具，解决复杂工程问题的综合能力，确保设计方案在投入物理实现之前，已在虚拟环境中得到充分的验证、优化和确认。 目标读者： 机械设计、制造工程、工业自动化、车辆工程、航空航天工程等相关专业领域的研究人员、工程师及高等院校师生。
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